王異成，張寶，吳瑞康

（國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學研究院，杭州310014）

發(fā)電技術

通過汽輪機配汽方式的改造提高火力發(fā)電機組的運行經(jīng)濟性

王異成，張寶，吳瑞康

（國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學研究院，杭州310014）

部分汽輪機組采用混合配汽方式，在低負荷下經(jīng)濟性較差。國內(nèi)部分此類型機組已進行了配汽方式優(yōu)化改造，節(jié)能效果明顯，控制品質(zhì)顯著提升。對不同容量汽輪機的混合配汽方式優(yōu)化工作進行歸納與總結(jié)，針對性地分析了其中的問題，提出了相應的解決方案，可為后續(xù)機組改造提供借鑒。

汽輪機；配汽方式；順序閥；經(jīng)濟性

0 引言

目前大型汽輪發(fā)電機組的配汽方式主要有節(jié)流配汽（也稱單閥配汽）、噴咀配汽（也稱順序閥配汽）和混合配汽（也稱復合配汽）3種。東方汽輪機廠引進日立技術生產(chǎn)的機組采用混合配汽方式。所謂混合配汽，即在低負荷下采用節(jié)流配汽，隨著負荷的升高，節(jié)流配汽逐漸向噴咀配汽過渡，在高負荷時，采用噴咀配汽?；旌吓淦诘拓摵上率顾姓{(diào)節(jié)閥均勻進汽，保證汽輪機在缸溫較低時全周進汽，減小熱應力；在高負荷下采用噴咀配汽，可以保證調(diào)節(jié)閥的節(jié)流損失較小，提高機組經(jīng)濟性。混合配汽兼顧了節(jié)流配汽的安全性和噴咀配汽的經(jīng)濟性，尤其適合帶基本負荷的機組，在額定功率下運行具有較高的經(jīng)濟性。

混合配汽方式自上世紀90年代引入我國后，距今已有二十多年，原設計方案適合滿負荷運行，卻不適合當前機組調(diào)峰較多的情況?；旌吓淦绞皆诓糠重摵上赂邏赫{(diào)節(jié)閥節(jié)流損失大，經(jīng)濟性不高。目前我國主力機組大多參與調(diào)峰運行，大多數(shù)時間處于部分負荷運行狀態(tài)，出于節(jié)能降耗的目的，該配汽方式需要優(yōu)化。目前，國內(nèi)部分東汽機組已經(jīng)成功實施配汽方式優(yōu)化改造，雖然在實施的過程中出現(xiàn)了一些問題，但經(jīng)過技術人員的細致分析和精心試驗，這些問題均得到妥善處理。

1 配汽方式優(yōu)化的途徑

東汽廠引進型機組采用全電調(diào)閥門管理系統(tǒng)，其各個調(diào)節(jié)閥的開啟順序固定，即負荷指令與各個調(diào)節(jié)閥的開度是一一對應的。圖1即為某東汽引進型600 MW機組配汽曲線（部分文獻稱為調(diào)門管理曲線）。

圖1 600 MW機組出廠配汽曲線

如上所述，該配汽曲線需要優(yōu)化改造。改造的途徑有2種，一是直接修改原配汽曲線，使汽輪機可實現(xiàn)兩閥點、三閥點運行；二是保留原混合配汽曲線，額外新增1套順序閥配汽曲線，2種方式之間可在線切換。上述2種方案均只需要在控制軟件中修改即可。

在優(yōu)化設計中，除了要考慮減小節(jié)流損失、提高經(jīng)濟性之外，還需要考慮到汽輪機調(diào)節(jié)級的強度許用情況。根據(jù)東汽廠提供的資料，調(diào)節(jié)級允許的最小部分進汽工況為兩閥進汽工況。據(jù)此，設計出的理想配汽曲線如圖2所示。該曲線即為機組在低負荷階段2個調(diào)節(jié)閥同步開啟，另2個調(diào)節(jié)閥全關；在前2個調(diào)節(jié)閥開度接近最大時，第3個調(diào)節(jié)閥逐漸開啟；第3個調(diào)節(jié)閥開度接近最大后，再開啟第4個調(diào)節(jié)閥。這樣在保證了調(diào)節(jié)級強度許用情況下，只有最少量的蒸汽流經(jīng)深度節(jié)流的CV（高壓調(diào)節(jié)閥）[1]。在實際改造過程中，各機組改造方案均以此為最佳設計模式，只有少部分機組由于自身特殊狀況，無法達到該理想配汽曲線的要求。

采用新的閥序后，還能提高機組調(diào)節(jié)品質(zhì)。采用原混合配汽方式，在部分負荷范圍內(nèi)，4個調(diào)節(jié)閥均部分開啟，主蒸汽壓力偏低，導致機組動態(tài)調(diào)頻性能較差。投用順序閥閥序后，采用新的滑壓曲線，主蒸汽壓力明顯提高，一次調(diào)頻響應速率提高。這是采用順序閥閥序后的又一項收益。

圖2 600MW機組優(yōu)化設計后的配汽曲線

2 配汽方式優(yōu)化改造實例

上述配汽方式優(yōu)化改造已經(jīng)在多臺300 MW，600 MW，660 MW和1 000 MW等功率等級的機組上成功實施，經(jīng)濟性提升明顯。

2.1 東汽600 MW超臨界機組

某發(fā)電廠有3臺東汽引進型600 MW超臨界機組，其型式為600-24.2/566/566。從機頭向發(fā)電機的方向看，4個高壓調(diào)節(jié)閥CV1—CV4的位置如圖3所示，對應的噴咀數(shù)目分別為58，34，34，58。

圖3 600MW等級機組高壓調(diào)節(jié)閥布置方式

該廠采用新增1套順序閥配汽曲線方式進行了配汽方式改造。由于不同的高壓調(diào)節(jié)閥后對應的噴咀數(shù)目差距較大，不同的閥序?qū)C組的影響明顯不同，故在其中2臺機組上試驗了不同的順序閥閥序。機組A采用“CV2，CV4-CV1-CV3”（逗號連接的2個調(diào)節(jié)閥同時開啟，短橫線連接的2個調(diào)節(jié)閥依次開啟，下同），機組B采用“CV1，CV3-CV2-CV4”，分別進行相應的試驗，得到相應熱耗率和煤耗率，同時修改了滑壓曲線。試驗結(jié)果表明，2種閥序?qū)?jīng)濟性的影響確實不同，結(jié)果詳見表1和表2。

表1 機組A順序閥改造的經(jīng)濟效益

表2 機組B順序閥改造的經(jīng)濟效益

圖4 不同順序閥閥序時經(jīng)濟性對比

2臺機組主調(diào)節(jié)閥（即第3個開啟的調(diào)節(jié)閥）對應的噴咀數(shù)目不相同，故兩者經(jīng)濟性也有差異。圖4是兩者煤耗下降對比曲線，由圖4可知，機組B（CV2作為主調(diào)節(jié)閥）在大部分負荷段運行時的經(jīng)濟性更好，即主調(diào)節(jié)閥應選用對應的噴咀數(shù)量較少的高壓調(diào)節(jié)閥，可以獲得更好的經(jīng)濟性。

配汽方式修改后，機組的滑壓曲線也應修改。滑壓優(yōu)化試驗表明，采用新的配汽方式后，機組的滑壓曲線較原滑壓曲線上移，滑壓終止點負荷降低。機組B新滑壓曲線的主汽壓力提高更多。

配汽方式優(yōu)化所取得的經(jīng)濟效益，除了上述供電煤耗下降、節(jié)約燃料成本以外，還有因機組協(xié)調(diào)控制水平的提高而減少電網(wǎng)兩個細則考核費用，保守估計每年30萬元[2]。

某廠機組C的型式與機組A，B相同，采用直接修改原配汽曲線的方式進行優(yōu)化改造。根據(jù)中壓缸啟動方式，在總閥位指令超過20%后才開啟高壓調(diào)節(jié)閥。為了在低負荷中保證全周進汽，先使4個高壓調(diào)節(jié)閥同時開啟到18%，再逐漸將1號和3號高壓調(diào)節(jié)閥關閉到0。經(jīng)過優(yōu)化后的配汽曲線如圖5所示。

圖5 機組C采用的配汽曲線

通過修改配汽曲線，獲得的經(jīng)濟收益如表3所示[3]。對該機組進行了滑壓曲線優(yōu)化試驗：在不同的主蒸汽壓力下，求得各工況下高壓缸效率和熱耗率，熱耗率最小對應的主蒸汽壓力點即為該負荷下的最佳主汽壓力。試驗結(jié)果如表4所示。

表3 機組C配汽曲線優(yōu)化前后經(jīng)濟性分析

表4 不同負荷下的最佳主蒸汽壓力

由表4可知，負荷越低，優(yōu)化后的熱耗率降低越多，效果越顯著。采用新的滑壓運行方式，機組在部分負荷下熱耗率降低明顯[4]。

該機組未能采用前述東汽廠提供的經(jīng)濟性最高的配汽曲線[1]，原因是該機組1號、2號軸承瓦溫偏高，如果采用理想配汽曲線，則瓦溫會進一步升高，影響機組安全穩(wěn)定運行。因此，每臺機組都有各自的特點，需要根據(jù)機組自身實際運行情況決定配汽曲線[5]。

2.2 東汽600 MW亞臨界機組

機組D型式600-16.7/538/538，為亞臨界機組，其高壓調(diào)節(jié)閥布置與600 MW超臨界機組相同，新的配汽曲線大致與600 MW的超臨界機組類似。該機組在配汽曲線修改的同時也相應修正了滑壓曲線。

試驗中共驗證了3條不同的滑壓曲線，最終選取了熱耗率最低的滑壓曲線。確定的滑壓曲線如圖6所示。

圖6 機組D配汽方式優(yōu)化前后的滑壓曲線

表5為該機組改造前后的供電煤耗變化的情況。根據(jù)該機組全年負荷統(tǒng)計，平均每年可節(jié)約標準煤約2 665 t[6]。

表5 機組D配汽方式改造的效益

2.3 東汽660 MW超超臨界機組

機組E型式為N660-25/600/600，其高壓調(diào)節(jié)閥布置方式與前述600 MW機組相同，配汽優(yōu)化方式的思路也與上述機組基本相似。經(jīng)論證，采用的方案為增加單閥和順序閥2個閥序模式。機組啟動過程中采用單閥模式，當機組負荷在50%以上時，再啟用順序閥模式，達到降低機組熱耗的目的。

依次計算原混合配汽方式和順序閥配汽方式的熱耗率，同時得到熱耗率最低時對應的主汽壓力。由不同負荷下的計算結(jié)果，得機組最佳滑壓曲線。優(yōu)化后經(jīng)濟收益詳見表6，修正后滑壓曲線如圖7所示[7]。

圖7 機組E優(yōu)化后的滑壓曲線

2.4 東汽1 000 MW超臨界機組

東汽廠生產(chǎn)的1 000 MW級汽輪機CV的布置及每個調(diào)節(jié)閥對應的噴咀數(shù)量如圖8所示，調(diào)節(jié)閥后對應噴咀數(shù)量和600 MW級的不盡相同，故在1 000 MW級汽輪機最佳配汽曲線的尋優(yōu)過程中，需要嘗試不同的配汽曲線。

圖8 東汽1 000 MW機組調(diào)節(jié)閥布置及對應噴咀數(shù)量

機組F采用東汽引進型超臨界汽輪機，型號為N1000-25/600/600，對機組進行配汽方式改造后，經(jīng)試驗證明機組供電煤耗下降明顯。

在最佳配汽方案尋優(yōu)的過程中共提出了4種方案。方案1：“CV1，CV2－CV3－CV4”，方案2：“CV1，CV4－CV2－CV3”，方案3：“CV2，CV3－CV1－CV4”，方案4：“CV1，CV4－CV2，CV3”。在這4種方案下分別進行汽輪機的熱力性能試驗，得出最佳的工況點，最終確認方案2為最佳方案。同時修正機組的滑壓曲線，計算得出在不同的負荷時，機組供電煤耗下降0．3～3．9 g/kWh。在該配汽方式下，只有1個高壓調(diào)節(jié)閥（CV2）進行開度調(diào)節(jié)，其余的閥門保持全開或全關，因閥門的節(jié)流損失在閥門接近全關或接近最大流量時達到最小，這樣就減少了節(jié)流損失，提高了機組熱效率，降低了供電煤耗[8]。

3 相關問題及解決方案

3.1 配汽優(yōu)化的實現(xiàn)方式

如前所述，混合配汽改造可采用直接修改原混合配汽曲線和新增順序閥配汽曲線2種方式。這2種方式各有特點：方式一即為機組C采用的，其本質(zhì)上依然是混合配汽方式，但實現(xiàn)了兩閥滑壓運行，經(jīng)濟性較原混合配汽方式有較大提高[3，5]；方式二保留原混合配汽方式，在機組啟動及低負荷階段，采用原混合配汽方式，機組負荷到達某一點時，切換到順序閥配汽方式[2]。

方式一的優(yōu)點是機組在啟動及低負荷階段可以實現(xiàn)全周進汽，降低機組熱應力，軸系受力均衡，有利于機組安全穩(wěn)定運行；方式二則更加靈活，2種配汽方式可以在線切換，機組啟動及汽門活動性試驗仍可在原混合配汽方式下進行，對機組運行影響較小。從實際應用看，大部分機組采用方式二。

3.2 主調(diào)節(jié)閥的選擇

通過600 MW級機組（機組A，B）和1 000 MW級機組（機組E）的改造實例，發(fā)現(xiàn)主調(diào)節(jié)閥（第3只開啟的高壓調(diào)節(jié)閥）一般采用“小閥”（對應的噴咀數(shù)量較少的調(diào)節(jié)閥）的經(jīng)濟性更好。因為在部分負荷下，只有主調(diào)節(jié)閥處于節(jié)流狀態(tài)，采用“小閥”來調(diào)節(jié)，可以減少被節(jié)流的蒸汽流量，降低節(jié)流損失。

3.3 軸振和軸承金屬溫度對閥序的制約

汽輪機采用順序閥配汽方式運行時，軸系受力情況改變，各向受力會出現(xiàn)不平衡，受此影響，部分機組軸系可能發(fā)生偏移，出現(xiàn)軸承金屬溫度高、軸振大的情況，集中表現(xiàn)在1號和2號軸承處。東方汽輪機由混合配汽方式改造為順序閥時，極可能出現(xiàn)這一問題，一般是通過改變順序閥的閥序來解決。

機組E某次A修后，啟動過程中發(fā)現(xiàn)2號軸承Y向振動偏大。在此之前，該機組曾進行過順序閥閥序優(yōu)化。4個高壓調(diào)節(jié)閥改造后按照“CV2，CV4－CV3－CV1”的順序開啟。據(jù)分析，2號軸承振動受負荷變化影響較大，低負荷下振動偏大，同時瓦溫較低。當主調(diào)節(jié)閥CV3的開度變化時，位置對稱的CV2開度不變，從而產(chǎn)生徑向力，改變軸承的受力。通過改變CV閥序可以改變2號軸承的載荷，從而降低軸承振動。經(jīng)過多次試驗，改變順序閥閥序，2號軸承Y向振動明顯下降。最終確定將“CV2，CV4－CV3－CV1”改為“CV2，CV3－CV4－CV1”[9]。

機組G在投運初期采用單閥運行時，未發(fā)現(xiàn)機組振動異常。投入順序閥運行后，機組負荷超過400 MW，1號軸承振動迅速增大。據(jù)分析，產(chǎn)生振動的原因是汽流激振。進行閥序切換試驗，將高壓調(diào)節(jié)閥開啟順序由“CV4，CV3－CV2－CV1”改為“CV1，CV2－CV4－CV3”。調(diào)整后，1號軸承振動迅速下降[10]。

由此可見，無論是首次投運順序閥或者順序閥投運一段時間后，均有可能發(fā)生故障。順序閥運行時，機組本身處在非均勻進汽的狀態(tài)下，機組本身受力平衡被打破，若機組安裝不精細則極易產(chǎn)生這類問題。在順序閥投運的狀態(tài)下，需加強對機組振動和軸承金屬溫度的監(jiān)視，尤其是1號和2號軸承，這2個軸承受順序閥配汽方式的影響最大。

3.4 負荷波動問題

機組H采用東汽廠亞臨界330 MW熱電聯(lián)產(chǎn)機組，在投產(chǎn)1年后，進行單閥到順序閥的首次切換。在切換過程中，出現(xiàn)機組負荷等主要參數(shù)大幅度波動，導致電網(wǎng)頻率出現(xiàn)小幅波動的現(xiàn)象。

經(jīng)分析，主要有2個原因?qū)е略摤F(xiàn)象的發(fā)生：

（1）閥門流量曲線不合適。

（2）功率回路參數(shù)設置不合適。

針對第1個原因，進行了閥門流量試驗，優(yōu)化閥門流量曲線。試驗中發(fā)現(xiàn)原閥門流量曲線已經(jīng)整體偏離理想流量曲線，最大偏差達到15%。

針對第2個原因，進行邏輯查找，發(fā)現(xiàn)單閥和順序閥下PID參數(shù)設置不同。

在問題查找清楚并妥善解決后，再次進行單閥向順序閥的切換。期間，負荷最大波動只有2 MW，主蒸汽壓力最大波動0.15 MPa。隨后進行順序閥向單閥切換，該切換過程平穩(wěn)無擾動[11]。

3.5 滑壓曲線的優(yōu)化

在配汽方式優(yōu)化的過程中有一個不容忽視的問題就是滑壓曲線的優(yōu)化。與順序閥閥序精確匹配的滑壓曲線可以充分提高機組順序閥改造的經(jīng)濟性。

從結(jié)果看，大部分機組在順序閥閥序改造后，滑壓曲線呈平行上移、滑壓終止點左移的趨勢，只有少部分機組例外。

機組D和機組E新的滑壓曲線與其他機組存在較大差別，詳見圖6和圖7。機組D在425 MW以下區(qū)間，新滑壓曲線壓力較原滑壓曲線壓力低；在425 MW以上區(qū)間，新滑壓曲線壓力較原滑壓曲線壓力高。機組E出現(xiàn)滑壓曲線分段的特點，滑壓曲線在60%負荷附近呈水平狀[7]，且該機組同時出現(xiàn)AGC（自動發(fā)電控制）調(diào)節(jié)速率下降的問題，這與大多數(shù)機組的結(jié)論均相反，值得進一步分析。

4 結(jié)語

多臺機組配汽方式優(yōu)化改造的實例表明，采用順序閥配汽方式，可顯著提高機組經(jīng)濟性。實際改造時，每臺機組可根據(jù)機組自身的特點決定順序閥閥序，推薦主調(diào)節(jié)閥采用“小閥”，以便獲得更好的經(jīng)濟性。

在配汽方式優(yōu)化時，需要根據(jù)流量特性試驗結(jié)果，重新整定配汽曲線，從而提高配汽優(yōu)化的精確性，防止出現(xiàn)負荷波動現(xiàn)象，提高機組控制性能。對新的順序閥配汽方式，應通過試驗或計算確定最佳滑壓曲線，使主蒸汽壓力更好地匹配新閥序，由此可以進一步提高配汽優(yōu)化的節(jié)能效果和協(xié)調(diào)控制水平。

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（本文編輯：陸瑩）

Economic Efficiency Improvement of Thermal Power Generating Units by Steam Distribution Transformation of Steam Turbine

WANG Yicheng，ZHANG Bao，WU Ruikang
（State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China）

Some steam turbine generating units adopt mixed steam distribution and have poor economical efficiency under low load.Some of the domestic units have undergone steam distribution transformation and have achieved significant effect；besides，the control quality has been improved remarkably.The paper concludes and summarizes steam distribution optimization of steam turbines of different capacities with mixed steam distribution modes；in addition，it analyzes the problems pertinently and proposes corresponding solutions，providing reference to units transformation in the future.

steam turbine；steam distribution mode；sequence valve；economic efficiency

TK267

：B

：1007-1881（2016）03-0022-06

2015-10-19

王異成（1975），男，碩士，工程師，主要從事電力基建調(diào)試技術和管理工作。